一种面向动态环境的多机器人协同区域保护方法技术

本发明专利技术属于多机器人系统动态控制领域，具体说是一种面向动态环境的多机器人协同区域保护方法。本方法将多机器人编队部署于需要保护的任务区域中，通过遥控终端、搜索无人机、阻挡无人机、地面搜索机器人、地面阻挡机器人等相互配合，采用空地协同的方式，对整个区域进行实时防护。编队采用“晶格”方式，使队形更容易调整、恢复、整体迁移，增强了编队的鲁棒性；外来目标检测采用人机交互、地空协同的方式，提高了目标检测准确率；本发明专利技术提出了基于梯度的编队自修复控制算法，当阻挡机器人前往目标点，对目标进行阻挡的同时，区域内剩余机器人进行编队自恢复，填补空缺，保持编队队形，实现对任务区域的实时保护。对任务区域的实时保护。对任务区域的实时保护。

【技术实现步骤摘要】
一种面向动态环境的多机器人协同区域保护方法


[0001]本专利技术属于多机器人系统动态控制领域，具体说是一种面向动态环境的多机器人协同区域保护方法。

技术介绍

[0002]随着人工智能的高速发展，多机器人系统以其更强的容错能力、更好地适应性和对资源的高效利用率，在场景复杂、地图未知、天气恶劣等高危区域的研究更加火热。但是将多机器人协同编队应用于区域保护的研究尚少，部分研究方案存在效率低、编队无法恢复、无法整体迁移等问题，实用性及执行效率较低，难以满足复杂环境对机器人的要求及长时间实时对区域进行保护。

技术实现思路

[0003]本专利技术目的是提供一种高鲁棒性、高效率、高准确率的用于区域保护的多机器人动态控制系统，以克服上述多机器人系统的缺陷。
[0004]本专利技术为实现上述目的所采用的技术方案是：
[0005]一种面向动态环境的多机器人协同区域保护方法，包括以下步骤：
[0006]1)根据机器人数量与区域面积，在任务区域内构建多机器人防护编队；
[0007]2)通过多机器人防护编队中的搜索机器人对任务区域进行监测，并将监测结果发送给遥控终端；
[0008]3)遥控终端根据监测结果对多机器人防护编队中的阻挡机器人进行任务分配；
[0009]4)阻挡机器人根据任务指令对目标进行阻挡；
[0010]5)多机器人防护编队中的剩余机器人进行编队自恢复，以填补阻挡机器人的空缺。
[0011]所述多机器人防护编队基于Boid集群模型构建，由阻挡无人机、搜索无人机、地面阻挡机器人和地面搜索机器人构成，其中，相邻机器人间的间隔和行进速度保持相同状态，地面搜索机器人部署于任务区域的四周边界上，搜索无人机部署于任务区域中央，阻挡无人机部署于任务区域内部，地面阻挡机器人以设定的队形部署于整个任务区域，且满足任务区域内编队中每一纵队均有地面阻挡机器人的要求。
[0012]所述步骤2)具体为：
[0013]当外来目标进入任务区域后，将触发地面搜索机器人的预警状态，地面搜索机器人唤醒区域内的搜索无人机，搜索无人机在收到地面搜索机器人发出的预警信息后，立即对外来目标类型及位置坐标信息进行识别监测，并且唤醒闲置的其他机器人并向遥控终端发送外来目标类型及位置坐标信息及任务区域内机器人位置信息。
[0014]所述步骤3)包括以下步骤：
[0015]3.1)当外来目标即将进入任务区域时，每个地面阻挡机器人将其到外来目标的全局轨迹长度列表广播至搜索无人机；
[0016]3.2)搜索无人机接收并记录所有地面阻挡机器人发布的全局轨迹长度，并转发至遥控终端；
[0017]3.3)遥控终端根据全局最优条件决定出动的地面阻挡机器人数量及ID，并依据广播的轨迹长度构建代价矩阵；
[0018]3.4)对代价矩阵进行拓展，并基于拓展后的代价矩阵，利用匈牙利算法为机器人分配目标。
[0019]所述代价矩阵具体为：地面阻挡机器人的ID为代价矩阵的行索引，外来目标的ID为代价矩阵列索引,地面阻挡机器人与外来目标之间的距离为矩阵内容。
[0020]所述对代价矩阵进行拓展，具体为：
[0021]若一个外来目标可以被至多N
max
个地面阻挡机器人跟随，则当执行任务的地面阻挡机器人数量N多于外来目标数量M时，将对代价矩阵进行拓展，令row
i
为地面阻挡机器人r
i
到所有外来目标的轨迹长度向量，取N/M向上取整和N
max
‑
1中的最小值n，拓展代价矩阵每行为n个row。
[0022]根据外来目标与任务区域的距离以及外来目标的移动速度，选择使用调配地面阻挡机器人、阻挡无人机以及地空结合三种方式对外来目标进行阻挡：
[0023]当外来目标的移动速度或外来目标与任务区域的距离中任意一项超过预定阈值时，优先调配阻挡无人机；
[0024]当外来目标的移动速度以及外来目标与任务区域的距离均在阈值内时，则优先选用地面阻挡机器人；
[0025]若外来目标的数量超过阈值时，则选用地空结合的调配方式，对目标进行阻挡。
[0026]所述步骤5)包括以下步骤；
[0027]5.1)将机器人邻居的数量作为机器人的度，选取多机器人防护编队中度最小的地面搜索机器人作为梯度源机器人，将该源机器人的梯度值初始化为0，并向邻居机器人扩散，直接与源机器人相连机器人的梯度为1，然后为2，依次类推，直至编队中的每一个机器人均获得自身及邻居的梯度值；
[0028]5.2)当编队中有机器人执行阻挡任务或者出现故障，造成编队有空缺时，选出该空缺机器人的邻居中梯度最小的邻居作为修复机器人，成为第1步修复机器人，填补空缺，如果梯度最小机器人存在多个，则根据邻居机器人的协商随机选择其中一个作为修复机器人；
[0029]5.3)修复机器人指定其邻居中梯度最小的机器人作为下一步修复机器人，填补上一步修复机器人留下的空缺，迭代进行，直到无法选出修复机器人，构建新的编队；
[0030]5.4)搜索无人机监测修复编队是否满足横向防护距离保持原始距离，仅缩短任务区域的纵向距离，如果满足，则执行步骤5.5)，如果不满足，则重复执行步骤5.1)～步骤5.3)；
[0031]5.5)重新建立邻居间通信连接，完成编队修复。
[0032]本专利技术具有以下有益效果及优点：
[0033]1.本专利技术集编队构建，目标检测，目标阻挡，编队恢复一体，能够动态得对任务区域进行实时保护。
[0034]2.本专利技术使用“晶格”的编队构建形式，能够全方位得对任务区域进行防护，同时
能够快速的进行编队恢复，提高了系统的整体效率与准确率。
[0035]3.本专利技术采用地空协同、人机协同的方式对系统进行动态控制，提高了多机器人系统的鲁棒性，能够在复杂环境中执行任务。
附图说明
[0036]图1本方法的流程图；
[0037]图2本方法的队形构建示意图；
[0038]图3外来目标探测流程图；
[0039]图4外来目标分配流程图；
[0040]图5拓展矩阵图；
[0041]图6机器人编队恢复示意图。
具体实施方式
[0042]下面结合附图及实施例对本专利技术做进一步的详细说明。
[0043]如图1所示，系统根据机器人数量与区域面积，在任务区域内构建多机器人防护编队。当外来目标进入监测区域后，分布于任务区域边界的地面搜索机器人预警外来目标，并唤醒搜索无人机，在收到地面搜索机器人发出的预警后，搜索无人机对外来目标进行识别，唤醒区域内其他所有机器人，并向遥控终端发送相应信息，得到其答复后，作为区域指挥机器人，控制区域内的所有机器人，根据外来目标速度位置等，对外来目标轨迹进行预测，并对阻挡机器人进行任务分配，当阻挡机器人收到搜索无人机的任务指令后，前往目标点，对目标进行阻挡，与此同时，区域内剩余机器人进行编队自恢复，填补本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向动态环境的多机器人协同区域保护方法，其特征在于，包括以下步骤：1)根据机器人数量与区域面积，在任务区域内构建多机器人防护编队；2)通过多机器人防护编队中的搜索机器人对任务区域进行监测，并将监测结果发送给遥控终端；3)遥控终端根据监测结果对多机器人防护编队中的阻挡机器人进行任务分配；4)阻挡机器人根据任务指令对目标进行阻挡；5)多机器人防护编队中的剩余机器人进行编队自恢复，以填补阻挡机器人的空缺。2.根据权利要求1所述的一种面向动态环境的多机器人协同区域保护方法，其特征在于，所述多机器人防护编队基于Boid集群模型构建，由阻挡无人机、搜索无人机、地面阻挡机器人和地面搜索机器人构成，其中，相邻机器人间的间隔和行进速度保持相同状态，地面搜索机器人部署于任务区域的四周边界上，搜索无人机部署于任务区域中央，阻挡无人机部署于任务区域内部，地面阻挡机器人以设定的队形部署于整个任务区域，且满足任务区域内编队中每一纵队均有地面阻挡机器人的要求。3.根据权利要求1所述的一种面向动态环境的多机器人协同区域保护方法，其特征在于，所述步骤2)具体为：当外来目标进入任务区域后，将触发地面搜索机器人的预警状态，地面搜索机器人唤醒区域内的搜索无人机，搜索无人机在收到地面搜索机器人发出的预警信息后，立即对外来目标类型及位置坐标信息进行识别监测，并且唤醒闲置的其他机器人并向遥控终端发送外来目标类型及位置坐标信息及任务区域内机器人位置信息。4.根据权利要求1所述的一种面向动态环境的多机器人协同区域保护方法，其特征在于，所述步骤3)包括以下步骤：3.1)当外来目标即将进入任务区域时，每个地面阻挡机器人将其到外来目标的全局轨迹长度列表广播至搜索无人机；3.2)搜索无人机接收并记录所有地面阻挡机器人发布的全局轨迹长度，并转发至遥控终端；3.3)遥控终端根据全局最优条件决定出动的地面阻挡机器人数量及ID，并依据广播的轨迹长度构建代价矩阵；3.4)对代价矩阵进行拓展，并基于拓展后的代价矩阵，利用匈牙利算法为机器人分配目标。5.根据权利要求4所述的一种面向动态环境的多机器人协同区域保护方法，其特征在于，所述代价矩阵具体为：地面阻挡机器人的ID为代价矩阵的行索引，外来目标的ID为代价矩阵列索引,地面阻挡机器人与外来目标之间的距离为矩阵内容。6.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵士亮，张进，王挺，刘连庆，秦宏伟，
申请(专利权)人：中国科学院沈阳自动化研究所，
类型：发明
国别省市：